Transistör Nedir?

Transistör; giriş ucuna uygulanan elektriksel sinyali yükselten, akım ve gerilim kazancı sağlayan, aynı zamanda anahtarlama elemanı olarak kullanılabilen elektronik devre elemanıdır.

Transistör; sözcük olarak; trans ve resistor kelimelerinin birleşiminden meydana gelmiştir. P ve N tipi katmanlardan oluşan diyot yapısına üçüncü bir katman eklenerek elde edilen transistör, teorik olarak akım kontrollü bir (yarı iletken) dirençtir. Transistörde akımı kontrol eden uca Base (beyz), akımın kontrollü aktığı iki uca ise Collector (kollektör) ve Emiter denir.

Transistörü önemli kılan unsurlardan birisi akım kazancıdır. Transistörün bu özelliği düşük akım değerleriyle yüksek akımların kontrol altına alınmasını sağlar.

Transistörü çalışma mantığı bakımından musluğa benzetebiliriz. Bu durumda Kollektör ve Emiter musluğun iki ucunu Base ise musluk başlığını temsil eder. Musluk başlığına uygulanan küçük bir kuvvet ile yüksek basınçlı suyun nasıl kontrol altına alındığını düşünün. Bu transistörün akım kazancına örnektir.

Transistör neden önemli?

Bugünün teknolojisinin temel yapı elemanı 1947 yılında icat edilen transistördür. Transistörün icadından önce yerine kullanılan elektron lambalarının; fazla yer kaplaması, pahalıya mal olması, çabuk kırılması ve fazla elektrik tüketmesi teknolojik gelişimleri sınırlandırmıştır. Öyle ki 1947 yılında üretimi tamamlanan lambalı ilk bilgisayar ENIAC; 30 ton ağırlığında ve 167 metrekare büyüklüğünde basit bir hesap makinesi idi.

Bir elektron lambasının kapladığı alan bir kaç santimetre iken bugün bir kaç milimetrelik bir mikroişlemciye milyonlarca transistör sığdırılmaktadır.

Transistörün icadı sayesinde 30 ton ağırlığındaki ENIAC bilgisayarın yaptığı tüm işlemleri ve daha fazlasını günümüzde birkaç milimetre boyutunda mikroişlemciler yapabilmektedir.

Transistör çeşitleri

Binlerce farkı özelliklerde üretilen transistörü temel olarak bipolar ve unipolar olmak üzere iki gruba ayırmak mümkündür.

1- Bipolar Transistör

Üç yarı iletken katmanın yüzey birleşiminden üretilen BJT ‘ler (Bipolar Junction Transistor) elektronikte en çok kullanılan transistör çeşididir.

BJT; iki P tipi katman ve bir N tipi katmanın yüzey birleşiminden meydana gelmiş ise PNP (veya P tipi), iki N tipi katman ve bir P tipi katmanın yüzey birleşiminden meydana gelmiş ise NPN (veya N tipi) transistör adını alır.

Aynı işleve sahip NPN ve PNP transistörler arasındaki temel fark; Kollektör – Emiter akımının kontrolü için base (beyz) ucuna uygulanan gerilimin yönüdür.

NPN Transistör Çalışma Prensibi

NPN transistörün çalışması (iletime geçmesi) için Kollektör ve Beyz ucunda pozitif, Emiter ucunda ise negatif gerilim bulunmalıdır. Ayrıca Beyz ve Emiter arasındaki gerilim 0.7 Volt’tan büyük olmalıdır.

Yukarıdaki şekilde (Ortak Emiter) Beyz akımı ile Kollektör akımı arasındaki bağlantıyı transistörün beta ( β ) değeri belirler. Bu beta değeri transistörün DC akım kazancı (kısaca hFE) olarakta adlandırılabilir.

  IC ≅ β × IB

Burada verilen β (yada hFE) değeri ilgili transistörün kullanım kılavuzunda (datasheet) belirtilen sabit bir değerdir.

Örnek olarak transistöre ait β değeri 200 ise; izin verilen kollektör akımı, beyz akımının 200 katı olur.

PNP Transistör Çalışma Prensibi

PNP transistörün çalışması (iletime geçmesi) için Emiter ucunda pozitif , Kollektör ve Beyz ucunda ise negatif gerilim bulunmalıdır. Ayrıca Beyz ve Emiter arasındaki gerilim 0.7 Volt’tan büyük olmalıdır.

NPN transistördeki Kollektör ve Beyz akımı arasındaki bağlantı PNP transistörde de geçerlidir.

2- Unipolar Transistör

Tek kutuplu unipolar transistörler FET ve MOSFET olarak iki gruba ayrılabilir. FET ve MOSFET ‘ler BJT ‘lerin aksine akım kontrollü değil gerilim kontrollü çalışır. Uçları Gate (Kapı) , Drain (Oluk) ve Source (Kaynak) adlandırılır. Gate ucu BJT ‘deki Beyz ucuna, Drain ucu Kollektör ucuna, Source ucu Emiter ucuna denk gelir.

FET Çalışma Prensibi

FET (Field Effect Transistor) aynı zamanda üst versiyonu olan JFET (Junction Field Effect Transistor) ismi ile de anılır. N kanal ve P kanal olmak üzere iki tipi mevcuttur.

Bir JFET’in çalışma şartları için iki temel durum söz konusudur. Bunlar;

a) Gate-Source gerilimi sıfır volt (V_GS = 0V);

Gate ucundaki gerilim sıfır volt iken Drain-Source uçlarındaki gerilim 0V ‘tan itibaren arttırılırsa I_D akımıda aynı oranda artar. Bu akım artışı JFET’e ait Pinch-off (V_P) gerilim değerine ulaştığında sabitlenir. I_D akımının sabitlendiği bu noktaya I_DSS değeri denir. Bu değer aynı zamanda Drain-Source üzerinden geçebilecek en yüksek akımdır. I_DSS değeri her JFET için farklıdır. Bu değer JFET ‘e ait datasheet dosyasında (kullanım kılavuzunda) belirtilir.

Drain-Source gerilimi (V_DS) kırılma noktasına (breakdown) ulaştığında I_D akımı tekrar yükselmeye başlar. Ancak bu istenmeyen bir durumdur. Bu JFET’in bozulmasına neden olacağından JFET her zaman kırılma geriliminin altında çalıştırılmalıdır.

b) Gate-Source gerilimi sıfır volttan küçük (V_GS < 0V);

Gate ucundaki gerilim negatif değerde ise sabit olan I_D akımı bu değerle orantılı azalmaya başlar. Gate ucundaki negatif gerilim –|V_P| değerine ulaştığında I_D akımı sıfır olur. I_D akımının sıfır olduğu V_GS gerilimi aynı zamanda JFET’e ait V_GS(off) değeridir.

(Örnek olarak bir JFET ‘e ait V_P değeri +5V ise V_GS(off) değeri -5V ‘tur.)

Yukarıda anlatım N Kanal JFET için geçerlidir. P Kanal JFET ise iki fark dışında N Kanal JFET ile aynı şekilde çalışır. N Kanal JFET ‘te pozitif olan Drain-Source gerilimi P Kanal JFET ‘te negatif olmalıdır. Yine N Kanal JFET ‘te negatif olan Gate gerilimi ise P Kanal JFET ‘te pozitif olmalıdır.

MOSFET Çalışma Prensibi

MOSFET adı, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor kelimelerinin baş harflerinden meydana gelir. JFET ile benzer özellikler gösterir fakat Gate ucu ince bir SiO₂ katmanı ile kanala bağlandığından giriş direnci çok yüksektir.

Çalışma şekline göre Enhance (Çoğalan) Tip MOSFET ve Depletion (Azalan) Tip MOSFET olarak iki tipi vardır. Bu iki tip yine N Kanal ve P Kanal olmak üzere ikiye ayrılır.

a) Enhance (Çoğalan) Tip N Kanal MOSFET

JFET’lerin aksine Gate ucuna herhangi bir gerilim uygulanmadığı veya bu uçtaki gerilim 0V olduğu sürece I_D akımı sıfırdır. I_D akımı, V_GS geriliminin pozitif yönde artışıyla orantılı artar.

b) Enhance (Çoğalan) Tip P Kanal MOSFET

Çalışma şekli iki fark dışında Enhance (Çoğalan) Tip N Kanal MOSFET ile aynıdır. P Kanal Enhance MOSFET ‘in aksine Drain ucu negatif, Source ucu pozitif kutuplanmalıdır. I_D akımı ise tam tersine V_GS geriliminin pozitif yönde artışıyla orantılı azalır.

c) Depletion (Azalan) Tip N Kanal MOSFET

N Kanal Depletion MOSFET ‘te Gate ucundaki gerilim 0V olduğu durumda I_D akımı JFET’lerde olduğu gibi belirli bir seviyededir. Bu akım seviyesine I_DSS denir. Gate ucundaki gerilimin; pozitif (+) olması ve bu yönde artması I_D akımının artmasını, negatif (-) olması ve bu yönde artması ise I_D akımının azalmasını sağlar.

• V_GS = OV olduğu durumda I_D = I_DSS ‘dir.
• V_GS pozitif yönde artarsa I_D > I_DSS olur.
• V_GS negatif yönde artarsa I_D < I_DSS olur.

d) Depletion (Azalan) Tip P Kanal MOSFET

Çalışma şekli iki fark dışında Depletion N Kanal MOSFET ile aynıdır. N Kanal Depletion MOSFET ‘in aksine Drain ucu negatif, Source ucu pozitif kutuplanmalıdır. Gate ucundaki gerilimin; pozitif (+) olması ve bu yönde artması I_D akımının azalmasını, negatif (-) olması ve bu yönde artması ise I_D akımının artmasını sağlar.

• V_GS = OV olduğu durumda I_D = I_DSS‘dir.
• V_GS pozitif yönde artarsa I_D < I_DSS olur.
• V_GS negatif yönde artarsa I_D > I_DSS olur.

Şimdilik bu kadar…